混響室條件下的輻射敏感度測試新方法

賈 銳 王慶國 程二威

（軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊050003）

引 言

2011年，國際電工委員會頒布了61000－4－21（第2版）標準，用于完善混響室的使用和測試［1］。歐洲的一些部門和一些汽車公司也相繼制定了本行業(yè)的混響室使用標準［2－3］。空間電磁環(huán)境日趨復雜，隨著電子設備集成度的不斷提高，其系統(tǒng)或分系統(tǒng)的抗電磁干擾能力不斷下降。造成了外部干擾越來越強，內(nèi)部抵抗力越來越弱的矛盾。認識到這個矛盾后，電磁兼容迅速成為了全世界科學研究的熱點［4－6］。而混響室這一能提供各向同性，隨機極化，統(tǒng)計均勻的電磁測試環(huán)境也成為了電磁兼容領域的重點和熱點［7－8］。

世界范圍內(nèi)關于混響室的測試標準，規(guī)范的只是規(guī)格性測試。如果對某一給定電子設備，如果需得到其準確的電磁敏感度，各個標準就立刻“失效”。無法得到對給定設備的確切電磁敏感度。為解決這一問題，本文提供了一種混響室條件下新的輻射敏感度測試方法，該方法測試過程簡單，利用此方法可以得到給定設備在任意敏感頻點的輻射敏感度閾值，且具有良好的測試可重復性。

1.混響室兩種工作模式

輻射敏感度測試是混響室的一個重要應用方面［9－10］。測試中，對測試區(qū)域內(nèi)的場強進行監(jiān)測。按照內(nèi)置攪拌器的工作模式，混響室可分為連續(xù)模式和步進模式兩種工作模式。設備的輻射敏感度的定義是設備維持正常工作時，所能夠承受的最大電磁干擾強度。對于連續(xù)模式來說，由于攪拌器的不停轉(zhuǎn)動，腔體內(nèi)的電磁場處于連續(xù)擾動狀態(tài)，工作區(qū)域內(nèi)的場強隨著攪拌器的轉(zhuǎn)動快速變化，當混響室工作于連續(xù)模式時，很難對其周圍環(huán)境場進行特征提取，更無法得到受試設備的輻射敏感度。工程實踐中可以有3種方法來解決此問題：1）將接收天線在攪拌器旋轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi)所接收到的最大場強值作為受試設備的輻射敏感度；2）將受試設備出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時的瞬時場強作為其輻射敏感度；3）將一段時間內(nèi)接收天線所接收到場強值的平均值作為受試設備的電磁輻射敏感度。

當混響室工作于步進模式時，分別在多個步進位置進行相同的測試過程。不同的步進位置，測試區(qū)域內(nèi)的場分布各不相同。但對于某一特定步進位置，混響室腔體內(nèi)的場是穩(wěn)定的，接收天線可以測得其所處位置穩(wěn)定的場強值。這種情況下，對受試設備電磁敏感度的測量有兩種方法：1）將多個步進位置所測得的最大值作為受試設備的輻射敏感度；2）將多個步進位置所測得場強值進行平均，將平均后得到的值作為受試設備的輻射敏感度。

通過以上討論，不難看出混響室條件下的輻射敏感度測試重點在于如何定義受試設備的輻射敏感度。事實上，如何對受試設備的輻射敏感度進行定義，是利用混響室進行敏感度測量的根本問題。當一種新方法被提出后，檢驗其能否得到應用的重要標準就是其可重復性。本文選取了醫(yī)學臨床實踐中常用的FX7302型心電圖機進行大量實驗研究，通過對實驗結(jié)果的分析來說明哪種途徑更適合實際應用。

2.實驗所用混響室及其校準

國際電工委員會IEC于2003年頒布了61000－4－21標準，并于2011年頒布了此標準的第2版，第1版標準同時作廢。第2版標準相對第1版在測試和校準方面，在不影響測試結(jié)果的情況下要求有所降低。本文測試時，仍按照第1版的標準進行校準。圖1為IEC標準中規(guī)定混響室場均勻性標準偏差限值與實驗所用混響室的場均勻性標準偏差對比曲線，其中，SigmaX、SigmaY、SigmaZ分別為工作區(qū)域的8個頂點處，攪拌器旋轉(zhuǎn)一周所測得的X、Y、Z三個正交方向上的場強值的標準偏差，Sigma24為三個方向上總的標準偏差。

圖1 實測混響室均勻性標準偏差與IEC標準要求對比

實驗用混響室的體積為10m×8m×4.3m，其最低可用頻率大約為80MHz，測試最低頻率為100 MHz.實驗臺高度為1m，且與混響室墻壁以及攪拌器的距離在2m以上，以保證實驗結(jié)果不會受到墻壁附近不均勻電磁場分布的影響。受試設備的信號由信號發(fā)生器提供，該信號發(fā)生器可抵抗的電磁干擾要遠高于實驗所用電磁干擾強度，受試設備的屏幕輸出由監(jiān)視器監(jiān)測，視頻信號由光纖引出。信號的輸入設備和監(jiān)測設備都可耐高場強干擾，以保證實驗中所觀察到的效應是由受試設備本身受到的干擾而產(chǎn)生。圖2給出受試設備的正常輸出波形以及受到干擾后的輸出波形。選擇Nadar EMR－200天線作為接收天線，用于監(jiān)測混響室工作區(qū)域內(nèi)環(huán)境場。

首先，選擇在80MHz～1GHz范圍內(nèi)進行掃頻，得到受試設備在此頻段內(nèi)的敏感頻率。然后，分別在敏感頻率處進行輻射敏感度測試。圖1中可以看到：實驗用混響室完全滿足標準要求，可以進行輻射敏感度測試。

圖2 受試心電圖機的正常波形和受到干擾后波形

3.連續(xù)模式下的輻射敏感度測試

當混響室工作于連續(xù)模式，隨著攪拌器的轉(zhuǎn)動，其內(nèi)部腔體電磁場的邊界條件持續(xù)變化，電磁場呈現(xiàn)出時刻變化的復雜狀態(tài)，解析法很難對其進行計算?？茖W家嘗試使用統(tǒng)計方法或半解析法對混響室內(nèi)場線耦合問題進行計算，還有科研工作者利用平面波的疊加來模擬混響室的環(huán)境場。這些方法在理論層面的計算研究有很大的優(yōu)勢，但在實際工程實踐方面缺少實際的指導意義。第1節(jié)中介紹了連續(xù)模式下輻射敏感度的3種可能的方法，本節(jié)中將逐一對這3種方法進行評估。

首先，將接收天線在攪拌器旋轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi)所接收到的最大場強值作為受試設備的輻射敏感度。這種方法要求計算機篩選出攪拌器攪拌一周的時間內(nèi)接收天線輸出的最大值，攪拌器攪拌一周的時間取決于攪拌速度。有可能出現(xiàn)測得的最大場強值并非受試設備受到干擾時的場強值，這就使得接收天線輸出的場強值滯后于混響室腔體內(nèi)的環(huán)境場。所以，這種方法在實踐操作中不會推薦使用。

第2種定義方法是將受試設備出現(xiàn)干擾現(xiàn)象時接收天線輸出的瞬時場強作為其輻射敏感度。接收天線Nadar EMR－200的最快輸出速度為0.4s輸出一個場強值。圖3給出了50次使用瞬時場強作為輻射敏感度的測試結(jié)果。

圖3 瞬時值作為輻射敏感度的50次測試結(jié)果

從圖3中可以看出：測試結(jié)果的重復性極差，可見接收天線的瞬時值并不適合作為受試設備的輻射敏感度閾值。連續(xù)模式時，攪拌器以一定的速度攪拌，混響室腔體內(nèi)的電磁場的邊界條件也隨時處于變化狀態(tài)。這就造成了其內(nèi)部環(huán)境場的不穩(wěn)定，提取出的輻射敏感度重復性太差，同樣不適合應用于工程實踐。

考慮到混響室“各向同性、隨機極化、統(tǒng)計均勻”的特點，若是對接收天線一定時間內(nèi)的輸出結(jié)果進行統(tǒng)計平均，即對攪拌器旋轉(zhuǎn)一定角度內(nèi)的場進行統(tǒng)計平均，其結(jié)果的重復性可能會有所改善，這也是第1節(jié)中提出的第3種方法。將這個時間定義為統(tǒng)計平均時間參數(shù)，還有一個很重要的參數(shù)就是攪拌器的轉(zhuǎn)動速度。選取統(tǒng)計平均時間參數(shù)為1s至10 s10種；攪拌速度為1.5r/m、3r/m、6r/m、8r/m、10r/m（r/m：轉(zhuǎn)/分）5種進行研究。

為了得到理想的測試可重復性。利用混響室內(nèi)部電磁環(huán)境統(tǒng)計均勻的特點，將接收天線的輸出值進行統(tǒng)計平均處理，這相當于在攪拌器旋轉(zhuǎn)的一定角度內(nèi)，對環(huán)境場進行統(tǒng)計平均?？煽醋鲾嚢杵髟诙鄠€角度內(nèi)步進攪拌，每個角度的大小由統(tǒng)計平均時間參數(shù)決定。圖4給出多種統(tǒng)計平均時間參數(shù)在不同攪拌速度和頻率下的實驗結(jié)果標準偏差。

由圖4可以看出：當統(tǒng)計平均時間參數(shù)等于或大于4s時，測試結(jié)果的標準偏差曲線趨向平穩(wěn)，有良好的測試可重復性。但統(tǒng)計平均時間參數(shù)并非越大越好，當統(tǒng)計平均時間參數(shù)大于一定值后，接收天線采集的場強值又會滯后于受試設備受到干擾時的環(huán)境場。故下面的實驗，為了避免較大的測試誤差，選擇4s作為統(tǒng)計平均時間參數(shù)進行研究。

圖4 不同轉(zhuǎn)速和頻率下的測得結(jié)果的標準偏差

對于標準的測試方法而言，測試結(jié)果應具有很高的可重復性，應該保證不同測試人員在同一特定測試中能夠得到相同的結(jié)果?；谶@個目的，受試設備分別在不同的攪拌速度下進行輻射敏感度測試。圖5給出了不同攪拌速度的測試結(jié)果的變異系數(shù)。

圖5 不同攪拌速度測試結(jié)果的變異系數(shù)

通過圖5可以看出：5種不同攪拌速度的測試結(jié)果都具有良好的測試可重復性，這是因為測試結(jié)果的提取是基于統(tǒng)計平均時間參數(shù)的。對于不同的受試設備，不同的攪拌速度會有不同的影響效果。

4.步進模式下的輻射敏感度測試

當混響室工作于步進模式時，攪拌器有多個步進位置。每個步進位置上，混響室腔體內(nèi)的環(huán)境場都是不均勻的，輻射敏感度測試在多個步進位置分別進行。前文提到步進模式下有兩種方法定義輻射敏感度：一是接收天線在所有步進位置接收到場強的最大值；另一個是在所有步進位置的平均值。

當攪拌器停留在某個步進位置時，腔體內(nèi)的電磁場是穩(wěn)定的。也就是說當攪拌器固定在某個位置時，測試區(qū)域內(nèi)某一給定點的場強是不變的。每一個步進位置，都要進行輻射敏感度測試，如攪拌器旋轉(zhuǎn)一周有N個步進位置，相同的測試過程必須重復N次。對比IEC61000－4－21兩個版本，最大區(qū)別就是步進模式時，對攪拌器最少獨立攪拌位置要求的變化。表1給出了兩個版本關于攪拌器最少獨立采樣位置的數(shù)量。

表1 IEC61000－4－21新舊兩個版本關于攪拌器最少獨立采樣位置的數(shù)量

從表1可以看出：兩個版本的最少獨立攪拌位置的數(shù)量都是12個，第2版本將6倍起始頻率以下的最少獨立攪拌位置減少至12個。由于測試過程必須在每個步進位置進行，單次測試過程的所耗時間大約為5min，由此可知第2版標準將會節(jié)省大量測試時間。圖6列舉出了幾個敏感頻率處，多個獨立攪拌位置的測試結(jié)果。

IEC61000－4－21的兩個版本中規(guī)定了不同的攪拌器最少獨立攪拌位置。圖7給出了第1版標準中規(guī)定的，采用接收天線最大接收場強值或所有步進位置平均值為輻射敏感度的測試結(jié)果，以及第2版標準中規(guī)定的采用接收天線最大接收場強值或所有步進位置平均值為輻射敏感度的測試結(jié)果。

圖7中可以清楚看到：兩個版本的測試結(jié)果有相同的趨勢。除少數(shù)頻點，兩個版本的測試結(jié)果幾乎相同。也就是說，第2版本完全可以代替第1版本用于工程實踐，而且還會大大減少測試數(shù)量，節(jié)省測試時間。圖7中可以看出：兩種定義輻射敏感度方法的測試結(jié)果有著相同的趨勢，并不能得到哪種定義方法更為合理。將這兩種定義方法的測試結(jié)果分別與連續(xù)模式的測試結(jié)果對比，圖8給出了測試結(jié)果。

由圖8可以明顯看出：步進模式時所有步進位置測試結(jié)果的最大值明顯大于連續(xù)模式時所有攪拌速度的測試結(jié)果，而采用所有步進位置測試結(jié)果平均值作為受試設備輻射敏感度的方法與連續(xù)模式的測試結(jié)果較為接近，更能體現(xiàn)混響室兩種工作模式測試結(jié)果的同一性。所以對步進模條件下的電磁兼容測試，推薦采用所有步進位置的平均值作為測試結(jié)果。采用平均值的另一個優(yōu)點就是可以最大限度地減少其他隨機測試誤差帶來的影響。

圖8 步進模式兩種測試結(jié)果與連續(xù)模式測試結(jié)果對比曲線

5.結(jié) 論

利用混響室的兩種工作模式對相同的受試設備進行輻射敏感度測試，給出幾種定義輻射敏感度的方法，并通過實驗結(jié)果分析其可重復性及可行性。并對2011年新出版的IEC61000－4－21第2版和第1版做了簡要對比，并將兩個版本的測試結(jié)果進行對比分析。綜合實驗結(jié)果，提供了一個混響室條件下的輻射敏感度測試新方法。這個新方法基于對輻射敏感度的定義，連續(xù)模式和步進模式分別采用接收天線攪拌一段時間內(nèi)接收環(huán)境場的平均值或所有步進位置測試結(jié)果的平均值作為最終測試結(jié)果，測試過程簡單，并且有著非常良好的可重復性。

［1］International Electrotechnique Committee.IEC61000－4－21：Electromagnetic Compatibility （EMC）－Part 4－21：Testing and measurement techniques－Reverberation Chamber Test Methods［S］.Geneva：IEC Publication，2011.

［2］SC－135.RTCA DO－160FEnvironmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment［S］.Washington D C：RTCA，2007.

［3］SAE International Group.Guide to Certification of Aircraft in a High Intensity Radiated Field（HIRF）Environment［S］.Washington D C：SAE Inc，2003.

［4］齊萬泉，汪宗福，馬蔚宇，等 .相似原理應用于混響室縮比模型的驗證分析［J］.電波科學學報，2011，26（1）：180－185.QI Wanquan，WANG Zongfu，MA Weiyu，et al.Verification and analysis on similitude principium used in compact model of reverberation chamber［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（1）：180－185.（in Chinese）

［5］PRIMIANI V M，MOGLIE F，PASTORE A P.Field penetration through a wire mesh screen excited by a reverberation chamber field：FDTD analysis and experiments［J］.IEEE Trans Electromagn Compat，2009，51（4）：883－891.

［6］MADSEN K，HALLBJORNER P，ORLENIUS C.Models for the number of independent samples in reverberation chamber measurements with mechanical，frequency，and combined stirring［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2004，3（1）：48－51.

［7］王慶國，賈 銳，程二威 .混響室連續(xù)攪拌工作模式下的輻射抗擾度測試研究［J］.高電壓技術，2010，36（12）：2954－2959.WANG Qingguo，JIA Rui，CHENG Erwei.Test methods of radiated immunity in reverberation chamber with continuously moving stirrer［J］.High Voltage Engineering，2010，36（12）：2954－2959.（in Chinese）

［8］丁堅進，沙 斐 .EMC混響室電磁場模態(tài)研究［J］.電波科學學報，2005，20（5）：557－560.DING Jianjin，SHA Fei.Analysis of electromagnetic mode－states in an EMC reverberation chamber［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，20（5）：557－560.（in Chinese）

［9］CORONA P，LADBURY J，LATMIRAL G.Reverberation－chamber research－then and now a review of early work and comparison with current understanding［J］.IEEE Transactions on EMC，2002，44（1）：87－94.

［10］袁智勇，李 暾，陳水明，等 .混響室設計與校準測試［J］.電波科學學報，2007，22（4）：571－576.YUAN Zhiyong，LI Tun，CHEN Shuiming，et al.Design and calibration of reverberation chamber［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（4）：571－576.（in Chinese）